制造系统如何发展以实现工业IOT

作者：Suhel Dhanani

制造业正在经历一场变革性的革命，因为我们认识到可以分析制造流程中固有的数据以提高整体效率和生产力。这将需要改变工厂中部署的自动化系统——从小型、连接和智能传感系统到边缘的分布式控制，再到嵌入式硬件安全，甚至自适应制造系统。这篇文章研究了不同的工业物联网 （IIoT） 用例，并探讨了系统必须如何发展才能实现这一现象。

根据市场研究公司 ARC 的说法，“至少在一定程度上，基于显着改善或转变业务的可能性，数字化的转变已被推销。大约一半的受访者看到了新业务模式和收入流的机会，以及提高业务响应能力和敏捷性的机会。”

事实上，制造过程会产生大量数据。反过来，这些数据可以被分析用于一些非常有价值的目的：预测故障、优化设备寿命、获得新的收入来源，甚至优化生产过程以更好地满足市场需求。数据捕获和分析机制在这里显然至关重要，反馈路径也很重要，它允许优化边缘设备和控制器以根据数据分析微调制造过程。自动化系统必须小巧、坚固且高性能，以确保 IIoT 愿景成为现实。

微型互联传感器推动工厂自动化

任何数字工厂的命脉都是从边缘传感器和控制器收集的数据。这些边缘传感器必须是智能的、连接的并且足够小，以适合狭窄的组件或微型阀门和执行器。除了收集数据外，这些传感器系统还有望执行一些实时处理，以清理必须通过标准通信链路传递的数据。

借助现代制造设施内的所有智能连接传感器，分布式数据收集和处理变得司空见惯。我们过去常常看到大型中央可编程逻辑控制器 （PLC） 已经让位于越来越紧凑的分布式控制器，这些控制器在整个制造流程中呈扇形分布。在展示工业 4.0 的西门子安贝格电子工厂，有多个分布式 PLC 控制着高度自动化生产流程的每个步骤。多年来，PLC 已经从 1970 年代的小房间或柜子的大小缩小到大约 2000 年可以放在手掌中的设备。今天的 PLC 具有比其前辈更高的处理和接口能力。

然而，对于较小的系统，处理散热和在恶劣环境中运行的其他方面的挑战也随之而来。工业系统必须能够在 55°C 至 75°C 的环境操作环境中工作。通常，这些都是被动冷却的，因此在构建系统时考虑每个部分消耗的功率很重要。例如，考虑具有多个数字输入的控制器。图 1 显示了一种传统设计，包括用于每个输入通道隔离的分立器件和光耦合器。输入电阻为2.2Kohm，输入电压为24V V IN，输入电流为11mA，即每个输入通道的功耗为264mW。虽然这个数字可能看起来很低，但请记住，现代 PLC 拥有 8、16 甚至 32 个数字 IO 通道并不少见。

图 1. 采用分立元件的传统控制器设计。

如表 1 所示，PLC 的数字 IO 模块/部分消耗的功率可能会急剧上升。考虑到只有被动冷却的系统，随着 PLC 尺寸的缩小，设计中仅数字输入部分的这种功耗水平可能会带来麻烦。

解决电源挑战还有另一种选择：用集成 IC 替换分立逻辑，这将允许可配置的输入电流限制。考虑一种可让您将最大输入电流设置为 2.5mA 的解决方案。在此级别，您将减少四分之一的功耗。回到我们上面的 32 通道示例，您的数字输入部分现在的最大功耗将低于 2W。并且，单个 IC 取代了 8 个分立器件通道（参见图 2 中对这种替代控制器架构的描述）。

图 2. 基于集成 IC 的控制器架构。

功能丰富的集成解决方案可以解决解决方案尺寸、功耗和散热方面的挑战。驱动执行器的数字输出模块提供了另一个例子。许多负载都是电感性的，因此当开关打开时，电感器会尝试保持电流流动（参见图 3）。必须在电感两端使用续流二极管来抑制反电动势和/或保护 MOSFET。

图 3. 控制系统中的数字输出模块。

市场上一些较新的数字输出驱动器包含一个 FET 开关，无需外部续流二极管。内部钳位二极管将负偏移限制为（VDD – VCL），并允许续流电流快速消磁感性负载，从而释放大量电路板空间。

与控制器一样，传感器设计也受益于满足尺寸和功耗要求的组件。传感器现在结合了更多的信号调理和先进的通信能力——同时变得更小。许多传感器现在还支持 IO-Link，这是一种允许传感器与控制器进行数字通信的通信协议。启用 IO-Link 的传感器会告诉您已越过接近限制的确切距离。IO-Link 收发器变得越来越小，功率/热效率也越来越高。